Развитие цифровой аэрофототопографии в России и мире Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 528.74:528.93;528.71

Е.М.Медведев

«Г еолидар», г. Москва

РАЗВИТИЕ ЦИФРОВОЙ АЭРОФОТОТОПОГРАФИИ В РОССИИ И МИРЕ

В наиболее общей форме аэрофототопографию можно определить как раздел топографии, изучающий методы создания топографических карт по материалам авиационных съемок. Эта прикладная дисциплина, в том числе, изучает вопросы создания топографических карт и планов по аэрофотоснимкам.

Представленное определение позволяют сделать ряд ценных замечаний, существенных для всего дальнейшего изложения:

- Аэрофототопография это всего лишь раздел общей топографии. То есть имеются и другие возможности создавать топографические карты и планы. Это можно делать не только аэросъемочными, но и всеми другими доступными методами, прежде всего, конечно, наземными. Однако, общепризнано, что аэрогеодезические методы более технологичны, производительны и экономически эффективны. Возможно поэтому, аэрофотосъемочные методы, применительно к топографическому и «околотопографическому» направлению, безраздельно доминировали в течение всего 20 века.

- Аэрофотоаппарат ( т.е. в простейшем случае, любой фотоаппарат, устанавливаемый на летательный аппарат с целью съемки Земли) является во многом определяющим компонентом любого аэрофототопографического процесса. Можно даже сказать, что именно аэрофотоаппарат, как основное средство получения информации не только своим названием определяет название всего топографического метода (имеется в виду чисто этимологическая близость: аэрофотоаппарат - аэротопография). В геодезии масса подобных примеров - теодолитная или тахометрическая, а также мензуальная, лазерно-локационная и, конечно, GPS- съемки. Здесь везде, как и в случае с аэрофототопографией существенно наличие «центрального» средства измерения или сбора данных, которое не только дает имя всему методу, но и, исходя из своей собственной логики, определяет логику всего метода. Последнее обстоятельство чрезвычайно важно.

При исследовании современной аэрофототопографии, самое серьезное внимание приходится уделять именно аэрофотоаппарату, его функциональности, логике практического использования, фотографическому и фотограмметрическому качеству и, конечно же, стоимости.

Аэрофототопография изучает все важнейшие технологические процессы связанные с производством топографической продукции от установки фотоаппарата на борт летательного аппарата до производства кондиционной топографической карты. Признание этого факта позволяет определить «технологический каркас» аэрофототопографии следующим образом:

Рис.1

На рис. 1 представлен «технологический каркас» аэрофототопографии.

Наиболее актуальными в настоящее время являются проблемы, связанным с началом активного использования цифровых аэрофотоаппаратов и связанные с этим технологические, экономическии и психологические последствия. С другой стороны, невозможно говорить исключительно об аэрофотоаппаратах обособленно от тех задач, которые с их помощью решаются. Иначе, например, никак не объяснить столь сильное различие в их стоимости - от нескольких десятков тысяч до 2 млн. долларов.

Классический подход к аэрофототопографии представлен, например, фундаментальным трудом А. Н. Лобанова с одноименным названием [1]. Для целей настоящей публикации достаточно выделить лишь следующие основные положения классического подхода.

- Так называемый стереотопографический метод предполагает использование исключительно аэросъемочных данных (то есть аэрофотоснимков) для создания как рельефной, так и контурной части карты.

- Масштаб создаваемой топографической карты (плана) и морфология объекта оказывают существенное влияние на выбор как параметров собственно аэрофотоаппарата (в частности, величины фокусного расстояния), так и режима съемки (высота, скорость, величина перекрытий).

- Достижение нормативной точности выходного топографического материала в значительной степени зависит от качества наземных геодезических работ по планово-высотному обоснованию (определению координат опознаков) и качества развития фототриангуляционной сети. А последнее, в свою очередь, находится в очень сильной зависимости от качества пилотирования и выполнения аэросъемки в целом.

Следует признать, что упомянутая «Аэрофотограмметрия» А.П.Лобанова, как и другие серьёзные, работы вышли 15-20 лет назад, поэтому они в значительной степени устарели. В последнее время стали появляться новые работы по этому направлению [2].

О текущем моменте.

За последние 15 лет в аэрофототопографии произошли существенные изменения:

1. Использование систем спутниковой навигации GPS/GLONASS как для определения пространственных координат точки фотографирования каждого аэрофотоснимка, так и для контроля пилотажно-навигационных параметров и управления аэрофотосъемочным процессом в целом.

2. Активно стали применятся так называемые интегральные навигационные комплексы типа GPS/IMU [3], которые позволяют с достаточной точностью определить значения всех параметров внешнего ориентирования каждого аэрофотоснимка, как линейных, так и угловых. В некоторых случаях это позволяет полностью отказаться от работ по пространственному ориентированию аэрофотоснимков и их последующему ортотрансформированию и геопозиционированию. В других случаях, наиболее часто, наличие GPS/IMU данных позволяет существенно упростить и убыстрить процедуру создания фототриангуляционной сети.

3. Чрезвычайно существенным обстоятельством является возможность выполнять одновременно аэрофотографическую и лазерно-локационную съемку. Эта неисчерпаемая тема частично освещена в [ 2 ], а также в [3,4 ].

4. Наконец, в качестве приметы времени нельзя не отметить то, что практически все основные компоненты современной аэрофототопографии уже де-факто являются цифровыми. «Цифровизация» началась с картографии и фотограмметрии и, на сегодняшний день, применительно к этим отраслям, можно сказать, окончательно победила. Цифровые методы доминируют в геодезии, как в полевой, так и в камеральной фазе. Неохваченной осталась как раз только аэрофотосъемка. И вот теперь страны Европы и Америки чуть раньше, а Россия только-только, начинают переход от аналоговых аэрофотокамер к цифровым.

Рис. 2 Современный аэросъемочный комплекс

Таблица 1

Ьека А0840 Ше^гарИ ЭМС \гехсе11Л-(гаСат-О Аппиа! Ассгиа!

2000 Аппоипсеё Аппоипсес! 0 0

2001 1 1 1

2002 5 5 6

2003 7 3 Аппоипсес! 10 16

2004 10 11 13 34 50

2005 (,1ап-Мау) 2 12 13 27 77

8ит, Еп(1 оГ Мау 05 25 26 26 77

В Таблице 1 представлен объем производства крупноформатных цифровых топографических камер на 1.09.2005 по данным [5].

Традиционно главным доводом в пользу использования цифровых топографических аэрофотокамер является их ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ.

Считается, что:

- Цифровые камеры надежнее в работе.

- Данные, поставляемые цифровыми камерами, т.е. цифровые аэрофотоснимки достовернее аналоговых в информационном отношении.

- Использование цифровых камер значительно сокращает длительность технологического цикла аэрофототопографического производства.

- Использование цифровых топографических аэрофотокамер более экономично, не смотря на их высокую стоимость.

Рис. 3 Сравнение фотографического качества фрагментов аналогового (вверху, Leca RC-30) и цифрового (внизу, Vexcel ШraCAM-D) аэрофотоснимков одинакого масштаба

Рис. 4

Цифровые аэрофотоснимки по сравнению с аналоговыми полностью свободны от «зернистости».

При производстве цифровых аэрофотоснимков исключаются «мокрые» процессы, связанные с проявкой, закреплением, сенситометрическим контролем и др. Также исключается процедура дегитализации негативов.

Рис. 5 Широкий фотометрический динамический диапазон аэрофотоснимков, полученных современными цифровыми аэрофотокамерами

Современные цифровые топографические аэрофотокамеры обеспечивают получение цветных аэрофотоснимков с широким динамическим диапазоном, который, как правило, составляет 12-14 бит. Это позволяет успешно выполнять дешифрирование в пределах одного снимка объектов, находящихся в принципиально различных условиях освещенности (Рис. 5)

+ false color NIR

Рис. 6 Возможность получения цветных и спектрозональных

аэрофотоснимков

Обеспечивается возможность получения как панхроматических, так и цветных и спектрозональных снимков в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.

Рис. 7

У большинства цифровых аэрофотокамер минимальный интервал фотографирования составляет менее 1 сек. Это позволяет при необходимости выполнять крупномасштабную аэрофотосъемку объектов многоэтажной застройкой с продольным перекрытием 80-90% (Рис. 7).

Главные критерии оценки:

Фотографическое качество - динамический диапазон, интенсивность шумов, цвет,

Фотограмметрическое качество - стабильность параметров внутреннего ориентирования, точность фототриангуляции

Производительность - кв. км.\ час

Технологичность - возможность адаптации традиционных технологических процессов, наличие квалифицированного персонала

Критерии сравнения:

1. Стоимость покупки и эксплуатационные расходы.

2. Способ формирования кадра.

3. Общие и частные фотографические и фотограмметрические свойства.

4. Весогабаритные характеристики.

5. Режимные вопросы.

Общие свойства:

1. Использование CCD приемников.

2. Синтезированный кадр.

3. GPS/INS поддержка.

4. Широкий динамический диапазон 12-14 бит.

5. Наличие компенсации «смаза>^МС.

6. Использование гиростабилизации.

Главные различия:

1. Геометрия приемника - матрица, линейка.

2. Метод синтеза кадра.

3. Способ компенсации «смаза» (механический или электронный). Классификация по размеру одиночного кадра:

Малоформатные камеры (до 16 Мега пикселей)

Среднеформатные (от 16Мпикс до 64Мега пикселей) Крупноформатные (от 64 до 256 Мега пикселей)

Малоформатные камеры:

Rollei d507 metric Kodak (DCS 14n)

2552 x 1920 пикс.,

Рис. 8 Малоформатные цифровые камеры

Среднеформатные камеры Rollei AIC modular LS Hasselblad (H2)

Applanix DSS

IGI Di giCAM

Рис. 9 Среднеформатные цифровые топографические камеры

Крупноформатные камеры

Z/l Imaging (DMC) VEXCEL (UltraCamD)

Рис. 10 Крупноформатные цифровые топографические камеры

Таблица 2. Основные параметры крупноформатных камер

Параметр UltraCamD DMC ADS-40 DiMAC

Размер кадра, пикселей 7500х11500 7680x13824 12000 (24000?) строка От 4080x5440 До 8080x10800

Фокусное 100 мм 120мм 62мм На заказ

расстояние 75 мм, 125 мм 25мм 77мм

Интервал съемки От 0,75 с От 2.1 с От 1,2мкс на линию 2 сек

Компенсация движения TDI Есть Не требует Есть, пьезо механическая

Сенсор CCD матрицы CCD матрицы CCD линейки CCD матрица В каждом модуле

Выводы:

Считается, что 2006 г. станет переломным в деле внедрения цифровых камер в аэрофотопографию. Впервые количество информации, произведенное цифровыми аэрофотокамерами превысит соответствующее количество, произведенное аналоговыми. Россия несколько отстает в этом вопросе, но и в нашей стране тенденция скорого перехода с цифровых камер на аналоговые очевидна.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лобанов А.Н. Фототопография. - М.: «Недра», 1983

2. Данилин И.М., Медведев Е.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса. - Красноярск, 2005

3. «Геопрофи» № 4,5,6 2005 г.

4. «Геопрофи» № 2,3,4 2004 г.

© ЕММедведев, 2006